تکنولوژی به کار رفته در قطب نما چیست؟

قطب نما یک ابزار ناوبری ساده اما مبتکرانه است که برای قرن ها برای تعیین جهت و کمک به ناوبری در اقیانوس ها و مناظر مورد استفاده قرار گرفته است. در ابتدایی ترین حالت، یک قطب نما از یک سوزن مغناطیسی کوچک تشکیل شده است که به یک محور متصل می شود تا بتواند آزادانه بچرخد. این سوزن مغناطیسی خود را با میدان مغناطیسی زمین هماهنگ می کند و یک سر آن به سمت شمال مغناطیسی است. با مشاهده اینکه سوزن قطب نما به کدام جهت اشاره می کند، جهت های اصلی را می توان تشخیص داد.

قطب نمای انلاین چگونه کار میکند؟

در اینجا مروری کوتاه بر نحوه عملکرد قطب نماهای آنلاین (online compass) می کنیم:

- آنها از حسگر مغناطیس سنج موجود در گوشی های هوشمند و سایر دستگاه ها برای تشخیص میدان مغناطیسی زمین استفاده می کنند. این سنسور قدرت و جهت میدان مغناطیسی محیط را در 3 محور X، Y و Z اندازه گیری می کند. داده های مغناطیس سنج خام از طریق یک الگوریتم کالیبراسیون پردازش می شود.

سپس از شدت میدان مغناطیسی در محورهای X و Y برای محاسبه زاویه بین شمال مغناطیسی و جهت دستگاه استفاده می شود. توابع مثلثاتی پایه، عنوان قطب نما را تعیین می کنند.

قطب نما همچنین ممکن است داده های شتاب سنج و ژیروسکوپ دستگاه را برای بهبود دقت و ثبات ترکیب کند. شتاب سنج می تواند شیب و جهت دستگاه را تشخیص دهد در حالی که ژیروسکوپ چرخش را تشخیص می دهد.

 الگوریتم‌های همجوشی حسگر اضافی داده‌های مغناطیس‌سنج، شتاب‌سنج و ژیروسکوپ را ترکیب می‌کنند تا تخمین عنوان قابل‌اعتمادتری تولید کنند. این اختلالات مغناطیسی را جبران می‌کند و به قطب‌نما اجازه می‌دهد حتی زمانی که دستگاه صاف نیست کار کند.

قطب نمای آنلاین (compass online) تصحیح انحراف مغناطیسی را برای تبدیل از شمال مغناطیسی به شمال واقعی اعمال می کند. مقدار انحراف بستگی به موقعیت مکانی کاربر دارد و از طریق GPS یا ورودی کاربر تعیین می شود.

در نهایت، عنوان شمال واقعی به همراه یک قطب نما که جهت اصلی و موقت را نشان می دهد، روی صفحه نمایش دستگاه نمایش داده می شود. عنوان قطب نما به طور مداوم در زمان واقعی به روز می شود زیرا کاربر جهت دستگاه را تغییر می دهد.

بنابراین به طور خلاصه، قطب‌نماهای آنلاین همچون https://onlinecompass.net از حسگرها در دستگاه‌های مدرن همراه با پردازش نرم‌افزاری برای تقلید از قطب‌نمای سخت‌افزاری سنتی به صورت دیجیتالی استفاده می‌کنند. مغناطیس سنج میدان مغناطیسی زمین را تشخیص می دهد، در حالی که سنسورهای دیگر استحکام را بهبود می بخشند. داده های انحراف داخلی، خواندن را به شمال واقعی تبدیل می کند.

مکانیسم عملکرد قطب نماهای فیزیکی

فناوری حیاتی که قطب نما را قادر می سازد کار کند، مغناطیس است. مغناطیس از چرخش و حرکت مداری الکترون ها در فلزات خاص ناشی می شود. در مواد فرومغناطیسی مانند آهن، اسپین‌ها و مدارهای الکترون‌ها به گونه‌ای برهم کنش می‌کنند که الکترون‌ها در درون حوزه‌های فلز قرار می‌گیرند. هر حوزه کوچک مانند یک آهنربای کوچک با یک قطب شمال و جنوب عمل می کند.

به طور معمول، دامنه ها در جهت های تصادفی قرار می گیرند و میدان های مغناطیسی آنها خنثی می شود. اما اگر یک میدان مغناطیسی خارجی به اندازه کافی قوی اعمال شود، دامنه ها می توانند تراز شوند تا میدان های مغناطیسی آنها یکدیگر را تقویت کنند و فلز را مغناطیسی کنند. این مغناطش القایی حتی پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی باقی می ماند.

آهنرباهای دائمی با قرار دادن فلزات فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی خارجی قوی برای ردیف کردن دامنه ها ایجاد می شوند. مواد مغناطیس دائمی رایج عبارتند از آهن، نیکل، کبالت و آلیاژهای مختلف مانند آلنیکو و نئودیمیم آهن بور (NdFeB). سوزن مغناطیسی در قطب نما معمولاً از فولاد سخت شده یا یکی از این آلیاژهای مغناطیسی ساخته می شود. خود زمین نیز مانند یک آهنربای غول پیکر عمل می کند که میدان مغناطیسی آن از جریان های الکتریکی تولید شده توسط همرفت آلیاژهای آهن مذاب در هسته بیرونی ناشی می شود. سوزن قطب نما موازی خطوط میدان مغناطیسی زمین است.

قطبیت سوزن قطب نما از جهتی است که دامنه ها در فلز قرار دارند. در یک انتها، دامنه‌ها به گونه‌ای اشاره می‌کنند که قطب‌های شمالی آن‌ها به سمت بیرون همسو می‌شوند و یک قطب مغناطیسی شمالی ایجاد می‌کنند. در انتهای دیگر، قطب‌های جنوبی حوزه‌ها به سمت بیرون همسو می‌شوند و یک قطب مغناطیسی جنوبی ایجاد می‌کنند. قطب های مخالف جذب می شوند، بنابراین قطب شمال سوزن قطب نما به سمت قطب جنوب جغرافیایی میدان مغناطیسی زمین (جایی که خطوط میدان همگرا می شوند) جذب می شود.

برای عملکرد صحیح، سوزن قطب نما باید بتواند آزادانه بچرخد تا خود را با میدان زمین هماهنگ کند. قطب نماهای اولیه از سوزن های مغناطیسی استفاده می کردند که بر روی تکه های کاه یا آتل های چوبی شناور در آب قرار می گرفتند. قطب‌نماهای مایع بعداً در اروپای قرون وسطی ساخته شدند، شامل یک سوزن نازک بود که روی یک پین در یک ظرف کوچک بسته که تا حدی با الکل یا روغن معدنی پر شده بود، می چرخید. این مایع برای خنثی کردن ارتعاشات و نوسانات آهسته سوزن، به آن اجازه می دهد تا ثابت شود و به طور پیوسته اشاره کند. قطب‌نماهای محوری خشک نیز در این زمان ظاهر شدند، با استفاده از یاتاقان عقیق یا یاقوت کبود که با یک نقطه فلزی سخت برای کاهش اصطکاک روی سوزن استفاده می‌شد.

یکی دیگر از پیشرفت های کلیدی، محصور کردن قطب نما در یک محفظه محافظ با صفحه نمایشگر شفاف بود. این باعث می شود جهت سوزن به راحتی خوانده شود و در عین حال سوزن را از تکان خوردن محافظت می کند. علامت‌گذاری روی صفحه، نقاط اصلی و جهت‌های بین‌کاردینال را نشان می‌دهد. از یک خط لابر برای تراز کردن قطب نما با کیل یا جهت حرکت استفاده شد. گیمبال‌ها بعداً به محفظه قطب‌نما اضافه شدند و به صفحه و سوزن اجازه می‌دهند حتی زمانی که پایه کج می‌شود و می‌چرخد، در یک سطح باقی بمانند.

نیروی مغناطیسی کوچکی که توسط یک سوزن قطب نما دستی اعمال می شود بسیار ضعیف است. تداخل میدان های مغناطیسی خارجی از اجسام فلزی مجاور، تجهیزات الکتریکی و ناهنجاری های ژئومغناطیسی می تواند باعث عدم دقت شود. با بازگشت به دوران باستان، کاربران قطب نما یاد گرفتند که با موقعیت یابی ماهرانه، تفسیر و تکنیک های تصحیح ویژه با این مشکلات مقابله کنند. پیشرفت‌های بعدی شامل دوقلوی طراحی شده برای به حداقل رساندن تداخل و انحراف، قطب‌نماهای شناور که ارتعاشات کشتی را کاهش می‌دهند و مکانیسم‌های جبران برای تصحیح میدان‌های مغناطیسی القایی و دینامیکی بود.

امروزه قطب نماها از برخی فناوری های بسیار پیشرفته استفاده می کنند، اما همچنان بر اساس همان اصول اولیه که صدها سال پیش اعمال شده اند، کار می کنند. قطب‌نماهای دستی مدرن معمولاً از سوزن‌های ساخته‌شده از هماتیت مغناطیسی یا سرامیک فریت معلق در روغن استفاده می‌کنند

در حالی که اصل کار بدون تغییر باقی مانده است، قطب نماها به طور مداوم برای استفاده از مواد و فناوری های جدید تکامل یافته اند - سوزن های مغناطیسی خام شناور روی چوب را به ابزار ناوبری الکترونیکی دقیق تبدیل می کنند. با این حال، قطب‌نماها چه از مواد اولیه و چه از ریزتراشه‌های سیلیکونی ساخته شده باشند، همچنان بر اساس تأثیر مغناطیسی نامرئی سیاره ما کار می‌کنند.